基于LabVIEW与PLC的过滤材料纯水通量测试系统设计

2015-06-07张桃飞王正飞

仪表技术与传感器 2015年7期

张桃飞，沈捷，王正飞，俞健，黄彦，刘强

(1.南京工业大学自动化与电气工程学院，江苏南京 210000；2.南京高谦功能材料科技有限公司，江苏南京 210009；3.南京工业大学材料化学工程重点实验室，江苏南京 210009)

张桃飞1，沈捷1，王正飞2，俞健3，黄彦3，刘强3

纯水通量是表征过滤材料(特别是膜材料)渗透性能的重要参数。为准确、快速的实现纯水通量的测定，本工作设计了一套自动测试系统，并详细说明了其硬件结构和软件设计方法。该测试系统以LabVIEW作为上位机的开发平台，通过调用VISA接口函数并采用了西门子PPI协议，实现了LabVIEW与下位机西门子PLCS7-200的串口通讯。测试系统集上位机数据采集﹑数据显示和数据保存于一体。测试结果表明，该系统界面友好、运行稳定、测试重复性好，达到了设计的要求。

PLC ；LabVIEW；VISA；串口通讯；PPI协议；纯水通量测试系统

0 引言

过滤材料不仅广泛应用于污水处理[1]和食品制造行业，而且在制药行业和新兴的生物技术领域里的作用也日益突出。表征过滤材料性能的一个重要指标是它的纯水通量(也称透过速率)，表示单位压力下，单位时间通过单位膜面积的水的体积。纯水通量[2]跟过滤材料的制作工艺、孔径大小等因素有关。准确表征过滤材料的纯水通量，不仅对于新型过滤材料研发有重要的指导意义，而且对不同用户正确选择适合的产品也有很大的实际意义。

传统的过滤材料纯水通量测试，一般采用手动方式，由于操作步骤的繁琐，测试时间较长，使得手动测试不仅效率低下，而且容易出错。因此设计一套自动纯水通量测试系统有助于高效准确的测试出不同类型的过滤材料纯水通量，对判断出它在不同领域里的应用具有重要的实用意义。

1 测试原理

纯水通量测试有内压法和外压法。一般测试纯水通量采用内压法，测试时将管状过滤材料的一端封死，使纯净水从过滤材料另一端流入，在压力的作用下，纯净水将透过过滤材料从它的外表面渗透出来。如下图1所示。

图1 内压法示意图

本文设计的过滤材料纯水通量自动测试以PLC模拟量输出控制电动调节阀的开度来改变系统的流量，分别在电动调节阀不同的开度下检测并自动记录过滤材料两端的压差和系统的流量。过滤材料的纯水通量公式可用式(1)表示：

(1)式中:J为过滤材料的纯水通量(通常也称为渗透通量)；ΔP为其两端的压差；S为它的有效面积；Q为透过过滤材料纯水的流量。

在平均孔径相同的情况下，J(纯水通量)越大，说明过滤材料的渗透越好(过滤效率越好)。过滤材料的纯水通量是一个定值，所以从式(1)得出，在压差ΔP越大情况下，那么它的流量Q越大。

2 测试系统硬件结构

测试系统硬件主要包括PLC S7-200 cpu224[3]、EM235模拟量扩展模块、电动调节阀、电磁阀、电磁流量计、压力传感器、增压泵、管道以及计算机。整个系统硬件框架结构如图2所示。系统由下位机和上位机两部分构成，下位机PLC的功能是负责执行上位机指令来控制测试系统的电磁阀通断以及电动调节阀的开度，此外，PLC还负责采集测试系统的流量、和过滤材料两端的压力，上位机LabVIEW的主要功能是和PLC通讯以及负责对下位机采集到的数据进行显示、分析和保存。

图2 测试系统框架结构

由于检测系统只需要控制两个电磁阀的通断和泵的启停，PLCS7-200cpu224是14输入10输出的继电器输出，完全符合要求。系统需要采集的3路模拟量有流量、两路压力，模拟量输出端控制电动调节阀开度来改变系统流量。所以选用EM235模块(4模拟量输入1模拟量输出)。系统的流量要求是0～15 L/min，选用的电磁流量计量程是0～100 L/min，泵的流量是0～20 L/min。压力传感器的量程是0～0.6 MPa。

3 测试系统实现与软件设计

测试系统的软件采用LabVIEW来开发。系统软件流程图如图3所示，测试准备主要是对程序界面的一些必要参数进行设置，设置完成后，系统先判断上下位机通信是否正常，通讯成功后，进入测试，先打开相应的电磁阀，再调节电动调节阀至全开，等压力稳定后，记录压差和流量并改变电动调节阀的开度，重复上面步骤，直至电动调节阀全闭，压力差为0时，测试结束。测试过程中，每改变一次电动调节阀的开度，等待60 s后使系统稳定，程序自动记录此时的流量和压差。整个测试步骤按照流程图进行。整个系统软件部分主要分成4个模块：上位机LabVIEW和下位机PLC通信设计；系统控制模块的设计；数据采集和读取的设计；数据处理以及数据保存设计。以下分别对每个模块进行详细介绍。

图3 系统软件流程图

3.1 LabVIEW与PLC的 PPI串口通信设计

工控机LabVIEW与PLC S7-200通讯一般有OPC[4]通讯和Modbus通讯协议[5]两种方式。OPC通讯对硬件的要求比较高，不但要熟悉OPC规约，而且在增加硬件成本的前提下，极大的增加了软件开发的复杂度和时间。在实现和西门子PLC通讯后，上下位机的数据传输存在延时问题，在有些采集精度要求高的场合，几乎达不到现场的要求。Modbus通讯不仅要在PLC编程软件编写程序，而且占用PLC的的存储区，大大增加了通讯的复杂度。PPI[6]协议是为PLCS7-200设计的专用通讯协议，当上位机采用PPI协议指令和PLC进行通讯时，上位机能读写PLC所有存储区的数据，上位机还直接可以控制PLC的启动和停止。此外，PLC能够实时的把采集数据传给上位机进行处理，不存在数据传输延时。上位机采用图形化系统设计平台的LabVIEW 作为开发平台，通过调用VISA(Virtual Instrument Software Architecture，虚拟仪器软件架构)接口函数来实现与PLC的串口通讯，编程简单、极大的缩短了系统的开发周期。

PPI通讯协议是一种主从式的通信，上位机(即PC机)为主机，PLC为从机。通信由上位机LabVIEW开始发起，PLC给予回应。本文设计系统的通讯步骤如下：

(1) 上位机向PLC发送通信命令 10 02 00 49 4B 16 (十六进制)目的是与PLC建立连接。

(2)PLC接到上位机通讯命令后进行校验，如果无误则返回数据10 00 02 02 04 16给上位机作出初步应答。

(3)上位机接收到初步应答后，再向PLC发送通信指令10 02 00 5C 5E 16 ，目的是让PLC确认执行通信。

(4) PLC接到确认命令后，执行上位机发送的确认执行通信命令，并向上位机返回数据E5。它的通信过程要往复两次才完成一次的通信，比较严谨，不易出错。

VISA是一组针对仪器编程的标准API函数，VISA可以控制USB﹑串口﹑以太网等设备。在LabVIEW开发平台下，使用VISA与串口设备通讯的步骤为：初始化端口，对串口通信的端口号﹑波特率﹑奇偶校验位﹑数据位进行设定，使其与PLC端口的参数一致；读写端口，利用串口读写函数,从串口中读入和输出数据；.关闭端口。基于以上对西门子PPI协议和VISA函数的介绍，按照通讯步骤编程实现了LabVIEW和西门子PLC的串口通讯，通讯程序如下图4所示。

图4 LabVIEW和PLC串口通讯程序图

3.2 系统控制软件设计

整个测试系统控制部分包括电磁阀的通断控制、泵的启动和停止控制、电动调节阀的开度控制。其中电磁阀的通断和泵的启停由PLC的数字量输出控制。在PLC和上位机LabVIEW通讯成功后，上位机通过发送控制指令的方式给PLC，PLC接收到指令后作出相应动作控制电磁阀的通断和泵的启停。电动调节阀(4～20 mA)由PLC的模拟量输出端控制，上位机LabVIEW通过发送写入指令的方式把6 400-32 000间的任意一个的数字信号传给PLC模拟量输出寄存器，PLC的模拟量输出模块EM235内部自带12位D/A转换芯片，把数字信号转换成对应的4～20 mA的电流信号传给电动调节阀，从而控制电动调节阀的开度(其中4 mA对应电动调节阀全闭，20 mA对应电动调节阀全开)。

3.3 数据采集和读取软件设计

测试系统需要采集两路压力传感器信号，一路电磁流量计信号。传感器将检测到的信号转换成4～20 mA的电流信号传到PLC的模拟量模块EM235中，模拟量模块内部自带12位A/D转换芯片，把电流信号转换成相应的数值保存在PLC的寄存器中。当上位机LabVIEW发送读取命令给PLC时，PLC接收到指令后把存放在PLC寄存器中相应的值取出并在计算机的界面上显示。

3.4 数据处理和保存软件设计

上位机从PLC中读出的数值要先转换回采集的压力和流量值，再进行显示、保存。以压力传感器为例，量程为0～500 kPa，假设PLC采集到的数值为X,则数值转换回压力P的换算公式(2)如下：

(2)

数据保存程序是基于LabVIEW的ActiveX控件进行编写，保存的数据是测试时记录的流量和对应的压差。程序如下图5所示。

图5 保存测试数据程序框图

4 测试结果与分析

测试系统界面如图6所示。

图6 测试界面图

对一种过滤不锈钢材料进行了两次纯水通量测试得到的数据，测试材料的有效面积是0.00 534m2,，两次测试的压力、流量和通量如表1和表2所示。

图1 相控发射聚焦原理图

压力差/bar流量/(m3·h-1)通量/(m3·h-1·m-2·bar-1)1130595987709204779762061031295460280140936300

注：1 bar=100kPa。

表2 第二次测试

压力和流量曲线如图7所示。

从表1和表2可知，在不同的压力和流量下，通量基本上是个定值。从图7的测试曲线可知，压差和流量值基本成线性关系，且压力差越大，流量越大。两次测试重复性良好，说明整个系统符合测试要求且测试结果可靠性良好。

图7 测试曲线

5 结论

本文设计的测试系统充分结合了LabVIEW和PLC的优点，采用了PLC的PPI协议进行了上下位机的通讯，实现了纯水通量测试系统的自动测试。测试系统的用户界面友好，操作方便，重复性良好。且测试数据自动保存，便于后期的查询分析。该系统经过长时间的调试，现在运行稳定，和以往的手动通量测试相比，大大提高了工作效率。

[1] 张慧,朱淑飞,鲁学仁.膜技术在水处理中国的应用与发展.水处理技术,2002(5):256-259.

[2] 王湛,张新妙,武文娟.操作条件对死端微滤膜通量的影响-温度、压力、浓度的影响.膜科学与技术,2006(1):26-30.

[3] 温照方.SIMATIC S7-200 可编程序控制器教程.北京: 北京理工大学出版社,2002.

[4] 李洪波.基于西门子PLC的OPC服务器开发:[学位论文].天津：天津大学,2007.

[5] 廖声立.利用MODBUS通讯实现对现场PLC系统的远程控制.化工自动化及仪表， 2011(10)355-358.

[6] 彭魏臻,麻红昭,张华,张伟.PPI 协议分析.化工自动化及仪表,2006,33(4):47-49.

Design of Pure Water Flux Testing System for Filtration Materials Based on LabVIEW and PLC

ZHANG Tao-fei1，SHEN Jie1，WANG Zheng-fei2，YU Jian3，HUANG Yan3，LIU Qiang3

(1.Collage of Automation and Electrical Engineering,Nanjing Tech University，Nanjing 210000，china； 2.Nanjing GQ Functional Material Technology Co.,Ltd，Nanjing 210009，china； 3.Key Laboratory of Materials Chemistry,Nanjing Tech University，Nanjing 210009，china)

Pure water flux is an important parameter for the permeation performances of filtration materials,particularly,the membranes.In order to improve the precision and convenience of the test,a new automatic system was designed for testing the pure water flux of the filtration materials,and its hardware structure and software design were introduced in detail.This testing system was based on LabVIEW platform,and the serial port communication between LabVIEW and the slave computer PLCS7-200 was carried out by uses of the Siemens PPI protocol and the VISA interface function,allowing the data acquisition,processing and storage .The experimental results indicate that the testing system in this work is user-friendly,stable and reproducible.

PLC ; LabVIEW; VISA; serial port communication ; PPI protocol；pure water flux testing system

2014-09-22 收修改稿日期：2015-02-12

TP273

1002-1841(2015)07-0074-03

张桃飞(1990— )，硕士研究生，研究方向为自动化装置与检测仪表技术，E-mail：18761683059@163.com 沈捷(1976—)，副教授，研究方向机器视觉，多机器人协调控制，E-mail：shenjienj@163.com